10KV真空高壓斷路器的運行特性及操作機構的動作特點

馬晟，趙小平，馬小榮

（神木職業技術學院，陜西神木，719300）

0 前言

目前所使用的真空開關主要是以一種極為稀少的氣體分析和有著較高絕緣強度的真空空間作為熄弧介質的新型開關。在密封真空的滅弧室內分合電路和切斷電源時，其觸頭僅有金屬蒸汽離子所形成的電弧，且沒有任何氣體發生碰撞和游離。因為金屬蒸汽離子有著十分快速的擴散和復合過程，進而可以快速實現滅弧操作，以此恢復原有的真空度，能夠承受住多次的分、合閘動作，而不會降低其開斷的能力，且不會產生高壓氣體和有毒氣體。因此基于其多種優勢的組合，在現有的城市供電所中真空高壓斷路器的使用十分常見。

1 10kV高壓真空開關基本運維需求

1.1 定檢

真空開關結合其用途和結構可以分為兩種形式，分別為真空斷路器和接觸器。其中真空短路其本身經常存在真空泡慢性的漏氣和絕緣件擊穿等缺陷，并且目前還不能實現開關運行期間的在線監測作業，因此實施開關的定檢動作十分必要[1]。一般對于真空開關的定檢作業需要結合表1內部執行，并且對所檢測的數據進行詳細記錄。如果遭遇特殊天氣或者是設備新投運的情況，則需要以特殊檢查的方式保障開關運行的可靠性。

表1 真空開關的定檢標準

1.2 巡視

在開關操作過程中，需要對其進行巡視操作，以便于發現異常的情況，減少故障發生概率。

(1)在進行分閘操作時當真空開關斷開以后，需要對電纜頭進行巡視，觀察其裝置的帶電顯示設備是否正常[2]。

(2)在對母線的側刀閘拉開時需要對刀口進行巡視，觀察其是否存在火花或者是真空泡是否存在閃光等問題。

1.3 維護

對于剛投產不久并且有著較多次數的拒動開關而言，一般需要在一段時間之后全面維護一次整體的操作機構，如對開關分合閘期間線圈動作電壓進行重新測量等操作，保障真空開關運行的安全與可靠性[3]。

2 高壓斷路器電機操縱機構特征與設計特點

2.1 高壓斷路器與電機操動機構的運動特征

基于高壓斷路器的無刷直流電機操動機構驅動系統的基本原理如圖1所示。

圖1 高壓斷路器的無刷直流電機操動機構驅動系統的基本原理圖示

其中左側為分閘狀態；中間為剛合狀態；右側為合閘狀態。在合閘期間，驅動電機的主軸a以旋轉方式的角度θ推動拐臂ab繞a點以逆時針的方向進行轉動，連桿bc在拐臂ab的作用下，以直線移動并且旋轉的方式進行運動，這時的絕緣拉桿cde在連桿bc的作用下以直線方式進行移動，其位移可被表示為dy，動觸頭ef在絕緣拉桿cd的作用下以直線方式運動，其位移為S[4]。此時當S=S0時，真空滅弧室和動、靜觸頭閉合，這時的真空卡關正好處于剛和的位置。隨后驅動電機的主軸a繼續轉角θ，此時由于動、靜觸頭和真空滅弧室均已閉合，觸頭彈簧組件de上的彈簧開始壓縮，這時當θ=θ0時，驅動電機的主軸a轉動結束，這時的真空開關則處于合閘的狀態，觸頭彈簧的組件de上的彈簧壓縮量為C，也就是接觸的行程。同樣分閘的過程正好與其相反，該傳統系統的形式也是由轉歐東變為直動。這時考慮到真空滅弧室在剛合閘時會由于滅弧室觸頭壓縮彈簧的作用造成反力突然增加的問題，這樣利用連桿的死點能夠有效減少反力的作用，且也可降低合閘的保持力。

2.2 高壓斷路器與電機操動機構的驅動反力特征

在電機操動機構運行期間，其各個部件的質量全部要歸結到f位置的等效質量Mf上，結合能量守恒原理，可以得到機構操作力和觸頭速度特征之間的動態關系：

在運動期間機構出力F和斷路器側負載的反力Fz都是變量，因此公式（1）可以被改為：

當初始速度v0=0時，行程s位置的觸頭速度v和機構的受力關系為：

此時系統的運動方程為：

其中iF為結構的操作力；Fj為真空斷路器的反力；Ml為各軸銷位置的摩擦力矩。而由于軸銷位置的摩擦力矩相比于操作力和斷路器反力來講相對較小，并且動觸桿行程的復雜函數，因此在工程上一般不對各個軸銷位置的摩擦損耗進行計算，而是利用連桿機構的效率來對該損耗對于整個運動系統影響進行表示，因此公式（4）則可以改寫為：

其中η表示為運動系統的機械效率。并且考慮到觸頭速度曲線情況下的機構所需要的出力曲線如圖2，圖3所示。

圖2 合閘過程

圖3 分閘過程

而在分閘的初始階段，分閘力做的是正功，其能夠提供一部分分閘的能量，加上觸頭的彈簧可以提供一定的能量，保障觸頭的速度能夠迅速提升，滿足其剛分速度的實際要求[5]。在分閘時機構出力為負值，觸頭所做的為減速運動，分閘力做負功，進而減少在分閘結束期間對于機構的沖擊力，充當整個傳統機構的減速裝置，這也是電機操動機構的特征。

2.3 高壓斷路器電機操動結構結構設計的特點

電機操動機構的本體主要是由驅動電機（定子與轉子）、轉子限位保持裝置和增量式的光電編碼器所組成，為了保持驅動電機的合閘位置，機構需要設置分合閘限位保持裝置。其中的增量式光電編碼器其可提供機構轉速和轉角的測量功能。

3 高壓斷路器驅動電機的控制方法研究

3.1 無位置傳感器控制技術研究與分析

一般所使用的無刷電機都是利用位置傳感器來定位轉子的位置，但是由于該傳感器的存在，也增加了電機本身的尺寸和外圍硬件電路的復雜程度，由此也減少了系統的抗干擾能力和可靠性[6]。我國近些年為了解決該項問題，逐漸就開始對無位置傳感器直流電機的控制策略進行研究。無位置傳感器其本身有著性能穩定、成本較低的反電動勢檢測法支撐，因此在相關領域中已經得到廣泛的應用。

另外斷路器驅動電機采取的是兩相導通型三相六狀態工作運行方式，在同一時刻由兩相繞組導通，每一想導通60°，且每相隔30°換相一次，其順序為A/B-A/C-B/C-B/A-C/A-C/B，將驅動電機的初始位置進行調整，促使電機剛啟動期間的位置為剛換相的位置。而由三相無刷直流電機數學可以明確：

其中ω表示轉子的角速度，p表示電機的極對數，α表示極弧系數，k為換相系數，W表示每一相繞組串聯的匝數，φ表示每一極的磁通量。

在真空電路其電機操縱機構分、合閘期間，電機的繞組端電壓u和繞組等效電阻R與等效電感L均為已知量，結合數字信號處理器（DSP）檢測出不同時刻的繞組電流值，結合上述公式能夠得到反電動勢e，我們假設此時的換相系數k為已知，進而可以得到轉子的角速度ω。對于轉子的角速度ω積分可以得到轉角θ，隨后根據轉子轉角所實現的驅動電機換相的操作判斷得到其實際的轉角數值。所以當k已知時，可以結合繞組的電路之來對轉子的角度進行確定，以此來實現換相操作[7]。且在斷路器分合閘操作期間，驅動電機正在起動階段運行，內部磁場還沒有建立穩定，由此在其電機的操作階段換相系數k則為變量。隨后由電機動力學方程可以了解到：

本公式中Te與TL(θ)分別表示電磁與負載的轉矩，單位為N·m；而J(θ)則表示轉子及負載的總轉動慣量，單位為kg·m2；θ為轉子的轉角，單位為rad。結合上述兩個公式的聯合可以得出：

電機操動機構驅動電機轉子和負載的總轉動慣量J(θ)和負載的轉矩TL(θ)是關于轉角θ的函數，也就是在斷路器分、合閘的過程中當轉角為θ時，其所對應的轉動慣量J(θ)和負載的轉矩TL是固定的，并且由公式（8）可以明確的是，該轉角下的系數k值和繞組電路i與轉角θ有關，也就是換相系數 k=f(θ,i)。結合相關實驗可以得到系數k的關系式，也就是可以根據對繞組電流值的采集來計算轉子的角度，再去結合轉子角度的大小來實現電機的換相操作。

4 結語

本文基于10kV真空斷路器和其操作機構的運行特征與控制措施的詳細分析，具體研究其電機操作機構的運行特點，最后以微分、積分和比例實現系統的狀態控制，減少機構反應出現的誤差，保障斷路器的反應可靠性與高速性，減少供電系統的故障，以為城市提供更加高質量的供電服務。